留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

空间站高温材料科学实验系统热控设计及验证

孙晋川 康昌玺 谢永齐 马动涛 李生华 崔晓杰

孙晋川,康昌玺,谢永齐,等. 空间站高温材料科学实验系统热控设计及验证[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(3):814-820 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0365
引用本文: 孙晋川,康昌玺,谢永齐,等. 空间站高温材料科学实验系统热控设计及验证[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(3):814-820 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0365
SUN J C,KANG C X,XIE Y Q,et al. Thermal design and validation of high temperature material science experiment system on China space station[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(3):814-820 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0365
Citation: SUN J C,KANG C X,XIE Y Q,et al. Thermal design and validation of high temperature material science experiment system on China space station[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(3):814-820 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0365

空间站高温材料科学实验系统热控设计及验证

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0365
基金项目: 中国载人空间站工程高温材料科学实验系统
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:sinoempire@163.com

  • 中图分类号: V524.7

Thermal design and validation of high temperature material science experiment system on China space station

Funds: National Science and Technology Major Project
More Information
  • 摘要:

    中国空间站高温材料科学实验系统(HTMSES)是中国新一代的可长期在轨运行的综合型多功能空间材料实验装置,其组成复杂、布局紧凑、实验温度高、部组件散热困难,使热控设计难度较大。基于液冷主动控温、辐射间接控温、结构热控一体化协同优化设计等多种思路对热控组件进行设计,有效解决热控难题。利用有限元分析软件计算科学实验系统热设计的温度结果;然后开展加热实验对热设计方案进行验证。数据显示HTMSES在提供材料制备所需要的最严苛实验工况(1 200 ℃)情况下,各关键部件处于友好的温度范围内,其中电机最高温度为42.2 ℃,编码器最高温度为40.6 ℃,丝杠最高温度为62.4 ℃,滑块最高温度为59.6 ℃,导轨最高温度为57.3 ℃,科学实验系统皮肤可触及部位最高温度为31.6 ℃,各温度结果均满足热控指标要求,表明设计方案合理可行,为同类型设备热设计提供了一种设计思路和参考依据。

     

  • 图 1  HTMSES示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of HTMSES

    图 2  热控方案示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of thermal control

    图 3  传动机构散热方案示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of heat dissipation scheme of drive mechanism

    图 4  热控组件实物图

    Figure 4.  Picture of thermal control component

    图 5  热分析模型

    Figure 5.  Thermal analytic model

    图 6  关键部组件温度云图

    Figure 6.  Temperature nephograms of key components

    图 7  热实验装置及现场

    Figure 7.  Thermal test equipment and site

    图 8  加热炉实验结果

    Figure 8.  Results of furnaces experiment

    图 9  关键部组件温度变化

    Figure 9.  Temperature variation of key components

    表  1  最严苛实验工况

    Table  1.   The most stringent experiment case

    实验工况参数 数值
    加热区温度/℃ 1200
    实验气压环境/Pa 500
    加热炉1与加热炉2间距/mm 95
    加热炉2与加热炉3间距/mm 0
    加热炉1侧面外壳温度/℃ 271.6
    加热炉1上端外壳温度 471
    加热炉1下端外壳温度/℃ 430.2
    加热炉2侧面外壳温度/℃ 284.4
    加热炉2上端外壳温度/℃ 556
    加热炉3侧面外壳温度/℃ 305.7
    加热炉3下端外壳温度/℃ 227.7
    下载: 导出CSV

    表  2  关键部组件热控指标

    Table  2.   Thermal control indicator of key components

    名称温度/℃
    电机10~60
    编码器10~55
    丝杠5~75
    导轨5~75
    滑块5~75
    裸露皮肤可触及部位10~45
    下载: 导出CSV

    表  3  液冷板设计参数

    Table  3.   Dimensions of cold plates

    名称长度/mm宽度/mm厚度/mm
    立冷板59030012
    下冷板24424212
    下载: 导出CSV

    表  4  仿真主要参数

    Table  4.   Dimensions of simulation

    进口液体
    流量/(L·h−1
    进口液体
    温度/℃
    舱内对流换
    热系数/(W(m2·K))−1
    舱内环境
    温度/℃
    90 26.5 2 25
    下载: 导出CSV

    表  5  关键部组件热分析结果

    Table  5.   Results of key components

    名称 热分析最高温度 指标要求
    电机 45.7 10~60
    编码器 44.8 10~55
    丝杠 68.0 5~75
    滑块 62.9 5~75
    导轨 62.8 5~75
    皮肤可触及部位 35.8 10~45
    下载: 导出CSV

    表  6  热实验与热分析结果对比

    Table  6.   Results comparison of thermal analysis/test

    名称 热分析最高温度 热实验最高温度 指标要求
    电机 45.7 42.2 10~60
    编码器 44.8 40.6 10~55
    丝杠 68.0 62.4 5~75
    滑块 62.9 59.6 5~75
    导轨 62.8 57.3 5~75
    皮肤可触及部位 35.8 31.6 10~45
    下载: 导出CSV
  • [1] 苏怀朋, 赵振昊, 孙永进, 等. 载人空间站空间科学应用研究[J]. 宇航学报, 2014, 35(9): 985-991.

    SU H P, ZHAO Z H, SUN Y J, et al. Study on space science and technology of manned space station[J]. Journal of Astronautics, 2014, 35(9): 985-991(in Chinese).
    [2] 胡文瑞. 空间的物理学[J]. 物理, 2008, 37(9): 637-642.

    HU W R. Physics in space[J]. Physics, 2008, 37(9): 637-642(in Chinese).
    [3] REGEL L L, SAGDEEV R Z. Materials processing in space: Theory, experiments, and technology[M]. New York: Consultants Bureau, 1990.
    [4] 刘岩, 艾飞, 潘秀红, 等. 空间材料科学实验技术总体方案构想[J]. 载人航天, 2010, 16(3): 19-23. doi: 10.3969/j.issn.1674-5825.2010.03.004

    LIU Y, AI F, PAN X H, et al. Overall plan of the space materials science experimental technology[J]. Manned Spaceflight, 2010, 16(3): 19-23(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1674-5825.2010.03.004
    [5] ROBINSON J A, THUMM T L, THOMAS D A. NASA utilization of the international space station and the vision for space exploration[J]. Acta Astronautica, 2007, 61(1): 176-184.
    [6] ROSE D. Intemational space station familiarization: TD9102A[R]. Houston: Johnson Space center, 1998: 10.1-10.20.
    [7] SOROKIN I V, MARKOV A V. Utilization of space stations: 1971-2006[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2008, 45(3): 600-607. doi: 10.2514/1.32772
    [8] NASA. International Space Station experiments by expedition[EB/OL]. (2018-02-28)[2022-04-20]. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/experiments_by_expedition.html.
    [9] 范唯唯, 韩淋, 杨帆, 等. 2018年国际空间站科研与应用进展[J]. 载人航天, 2019, 25(2): 271-276.

    FAN W W, HAN L, YANG F, et al. Review of scientific research and application on ISS in 2018[J]. Manned Spaceflight, 2019, 25(2): 271-276(in Chinese).
    [10] GRAZIANI M. The latest results from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station[C]// Proceedings of the53rd International Winter Meeting on Nuclear Physics — PoS(Bormio2015). Trieste: Sissa Medialab, 2015: 1-17.
    [11] 奚日升. 空间站材料科学加工实验炉的选择[J]. 空间科学学报, 2009, 29(1): 154-158. doi: 10.11728/cjss2009.01.154

    XI R S. Select for material science processing experiment furnaces on space station[J]. Chinese Journal of Space Science, 2009, 29(1): 154-158(in Chinese). doi: 10.11728/cjss2009.01.154
    [12] 王永志. 实施我国载人空间站工程推动载人航天事业科学发展[J]. 载人航天, 2011, 17(1): 1-4.

    WANG Y Z. Launching manned space station project and promoting the development of China’s manned space engineering[J]. Manned Spaceflight, 2011, 17(1): 1-4(in Chinese).
    [13] 吴季, 孙丽琳, 尤亮, 等. 2016—2030年中国空间科学发展规划建议[J]. 中国科学院院刊, 2015, 30(6): 707-720.

    WU J, SUN L L, YOU L, et al. Prospect for Chinese space science in 2016-2030[J]. Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, 2015, 30(6): 707-720(in Chinese).
    [14] 高铭, 赵光恒, 顾逸东. 我国空间站的空间科学与应用任务[J]. 中国科学院院刊, 2015, 30(6): 721-732.

    GAO M, ZHAO G H, GU Y D. Space science and application mission in China’s space station[J]. Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, 2015, 30(6): 721-732(in Chinese).
    [15] 闵桂荣, 郭舜. 航天器热控制[M]. 第2版. 北京: 科学出版社, 1998.

    MIN G R, GUO S. Thermal control of spacecraft[M]. 2nd ed. Beijing: Science Press, 1998(in Chinese).
  • 加载中
图(9) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  157
  • HTML全文浏览量:  46
  • PDF下载量:  6
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-16
  • 录用日期:  2023-01-01
  • 网络出版日期:  2023-03-14
  • 整期出版日期:  2024-03-27

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答